特開 2023-135986 振動デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023135986

(43)【公開日】2023-09-29

(54)【発明の名称】振動デバイス

(51)【国際特許分類】

   H03H 9/02 20060101AFI20230922BHJP

   H03B 5/32 20060101ALI20230922BHJP

【ＦＩ】

H03H9/02 K

H03H9/02 N

H03B5/32 A

H03B5/32 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022041364

(22)【出願日】2022-03-16

(71)【出願人】

【識別番号】000001443

【氏名又は名称】カシオ計算機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100096699

【弁理士】

【氏名又は名称】鹿嶋 英實

(74)【代理人】

【識別番号】100171882

【弁理士】

【氏名又は名称】北庄 麗絵子

(72)【発明者】

【氏名】藤原 宏之

【テーマコード（参考）】

5J079

5J108

【Ｆターム（参考）】

5J079AA04

5J079BA02

5J079BA43

5J079CB01

5J079HA03

5J079HA07

5J079HA30

5J108AA03

5J108BB02

5J108EE03

5J108EE07

5J108EE18

5J108GG03

5J108GG16

5J108JJ04

(57)【要約】

【課題】 温度変化の過渡期でも使用環境の影響を受けることなく、周波数温度特性を適切にコントロールすることを可能とする。
【解決手段】 容器１４内に突設された単一の支持部１５と、容器１４内に収容され、支持部１５に支持された振動子２１と、容器１４内に収容され、支持部１５に支持されたＩＣチップ３１（温度センサー）と、を備えている。任意の電子機器に組み込まれた状態で容器１４が外部から熱を受けた際、容器１４が受けた熱は単一の支持部１５のみを介して振動子２１及びＩＣチップ３１（温度センサー）に伝わる。そのため、熱源との位置関係に影響されることなく、ＩＣチップ３１（温度センサー）の温度上昇タイミングが、常に振動子２１の温度上昇タイミングと同時、又は先行することとなる。よって、使用環境の影響を受けることなく周波数温度特性の適切なコントロールが可能となる。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

容器内に突設された単一の支持部と、
前記容器内に収容され、前記支持部に支持された振動子と、
前記容器内に収容され、前記支持部に支持された温度センサーと、
を備えたことを特徴とする振動デバイス。

【請求項2】

前記温度センサーは、前記容器からの熱の伝導経路長が振動子に比べ短くなる形態で前記支持部に支持された、ことを特徴とする請求項１記載の振動デバイス。

【請求項3】

前記振動子は、固定部を介して前記支持部に支持され、
前記温度センサーは、前記支持部に直接支持された、
ことを特徴とする請求項２記載の振動デバイス。

【請求項4】

前記振動子と前記温度センサーとは、平面視において重なるように前記容器内に配置された、ことを特徴とする請求項３記載の振動デバイス。

【請求項5】

前記温度センサーは、前記容器の内面に近接する位置に固定され、
前記振動子は、前記容器の前記内面から離間する位置に固定された、
ことを特徴とする請求項２記載の振動デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、振動デバイスの構造に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、振動デバイスとして、水晶振動子の周波数温度特性を補償可能とする構造を備えた温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）が各種の電子機器に用いられている。かかる振動デバイスは、例えば特許文献1、２に記載されているように、容器内部に水晶振動子と温度センサーと、水晶振動子の温度変化に伴う周波数の変動を温度センサー感温素子の検出温度に基づいて補償する、つまり水晶振動子固有の周波数温度特性を補償する温度補償回路とが内蔵された構造を備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９－４９１８号公報

【特許文献2】特開２０１４－１０７７７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記のような振動デバイスにおいては、任意の電子機器に組み込まれた状態で振動デバイスが外部から熱を受けると、容器内における水晶振動子と温度センサーとの温度がそれぞれ変化するが、その際、振動デバイスと熱源との位置関係によっては、水晶振動子の温度が変化するタイミングと温度センサーの温度が変化するタイミングとが一致しない。その場合、水晶振動子と温度センサーの温度が同一になるまでの間、水晶振動子の周波数温度特性を適切にコントロールすることができないという問題があった。
本発明が解決しようとする課題は、温度変化の過渡期でも使用環境の影響を受けることなく、周波数温度特性を適切にコントロールすることができる振動デバイスを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の振動デバイスは、容器内に突設された単一の支持部と、前記容器内に収容され、前記支持部に支持された振動子と、前記容器内に収容され、前記支持部に支持された温度センサーと、を備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、振動デバイスにおいて、温度変化の過渡期でも使用環境の影響を受けることなく、周波数温度特性を適切にコントロールすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の第１実施形態の振動デバイスの概略構成を示す模式図であり、（ａ）は上板を取り外した状態の模式平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ－Ａ線に沿う模式断面図である。

【図2】本発明の第２実施形態の振動デバイスの概略構成を示す模式図であり、（ａ）は上板を取り外した状態の模式平面図、（ｂ）は、（ａ）のＢ－Ｂ線に沿う模式断面図である。

【図3】本発明の各実施形態に共通する振動デバイスの使用時における温度補償制御の内容を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図１～図３を参照して、本発明を適用した温度補償型水晶発振器（以下、振動デバイスという）について説明する。

【0009】

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態を示す振動デバイス１の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は上板１２を取り外した状態の模式平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ－Ａ線に沿う模式断面図である。振動デバイス１は、上下方向に開口する容器本体１１と、容器本体１１の上部を閉鎖する上板１２、及び容器本体１１の底部を閉鎖する底板１３とからなる容器１４を有している。

【0010】

容器１４の内部は、上板１２と底板１３とによって封止されるとともに、減圧された略真空状態か、又は窒素等の不活性ガスが充填された状態であり、係る容器１４内には、後述するように水晶振動子（以下、単に振動子という）２１と、振動子２１に固有の周波数温度特性を補償する温度補償回路を構成する制御回路、記憶素子、温度センサー等がワンチップ化されたＩＣチップ３１が実装されている。

【0011】

容器１４は、図１（ａ）に示すように、平面形状が長方形の直方体形状である。容器１４を構成する容器本体１１は、セラミックス製であり、セラミックス系の絶縁性材料を積層し焼成することにより形成されている。また、上板１２は金属製であり、底板１３はセラミックス製である。

【0012】

容器１４の一方の短辺側の内面１４ａ、すなわち容器本体１１の一方の短辺の内壁面には、振動子２１及びＩＣチップ３１を支持する単一の支持部１５が一体形成されている。支持部１５は板状であるとともに、その平面形状はほぼ正方形である。支持部１５は、容器１４内において上下方向の中程に位置しており、その両側部が、容器１４の長辺側の内面１４ｂ、すなわち容器本体１１の長辺側の相対向する内壁面にそれぞれ近接し、その端辺が容器１４の長手方向の中程に位置している。

【0013】

また、支持部１５の上面１５ａには、容器１４の短辺側の内面１４ａから離間して、振動子２１を固定するための固定部１６が設けられている。この固定部１６は例えばガラス製であり、支持部１５に固着されている。固定部１６は、平面形状が長方形であって、容器１４の短辺側の内面１４ａに沿って延びており、その長手方向の寸法は支持部１５と同一である。

【0014】

一方、振動子２１は板状であるとともに、その平面形状が長方形であって、その大きさが容器本体１１の開口部よりもやや小さい程度である。そして、振動子２１は、支持部１５の上面１５ａから離間するとともに、固定部１６に片持ち状態で固定されている。なお、振動子２１は、ウエハ状の水晶の表面及び裏面に電極が付けられた構成であり、導電性接着剤によって固定部１６に固定されている。

【0015】

また、支持部１５の下面１５ｂには、容器１４の短辺側の内面１４ａから離間して、温度センサーを含むＩＣチップ３１が固定されている。ＩＣチップ３１と容器１４の短辺側の内面１４ａとの間の距離は、その内面１４ａと固定部１６との間の距離と同一である。
つまり、ＩＣチップ３１は、平面視において振動子２１と重なるように容器１４内に配置されている。

【0016】

そして、振動デバイス１は、任意の電子装置に組み込まれて使用される際には、ＩＣチップ３１内の温度センサーの検出温度に応じてＩＣチップ３１の制御回路によって、振動子２１に固有の周波数温度特性が補償されるよう構成されている。図３は、振動デバイス１の使用時における温度補償制御の一例を示すフローチャートである。すなわち、温度補償制御が行われている間、前記制御回路は、定常的に温度センサーによって温度センシングを行い、その検出温度と、記憶素子に記憶されている補償データベース及び遅延データベースのデータに基づいて、電圧制御により振動子２１の発振周波数を制御する（温度補償）処理を繰り返す。

【0017】

以上の構成からなる振動デバイス１においては、容器１４内において、振動子２１と温度センサーを含むＩＣチップ３１とが、容器１４内に突設された単一の支持部１５にそれぞれ支持（固定）されている。そのため、振動デバイス１が任意の電子装置に組み込まれた状態で、容器１４が外部から熱を受けた場合、受けた熱が容器１４から単一の支持部１５を介して、振動子２１とＩＣチップ３１（温度センサー）とにそれぞれ伝わる。具体的には、容器１４が受けた熱が、支持部１５における容器１４の内面１４ａとの連結部分のみを介して振動子２１とＩＣチップ３１（温度センサー）とにそれぞれ伝わる。

【0018】

そのため、容器１４が外部から熱を受けた場合には、任意の電子装置内での熱源と容器１４（振動デバイス１）との位置関係および向きに関係なく、ＩＣチップ３１（温度センサー）の温度が上昇するタイミングが、振動子２１の温度が上昇するタイミングに遅れることがない。よって、振動デバイス１においては、温度変化の過渡期でも使用環境の影響を受けることなく、周波数温度特性を適切にコントロールすることができる。

【0019】

特に、本実施形態においては、振動子２１が固定部１６を介して支持部１５に支持され、ＩＣチップ３１（温度センサー）が支持部１５に直接支持されている。つまりＩＣチップ３１（温度センサー）が、容器１４からの熱の伝導経路長が振動子２１に比べて短くなる形態で支持部１５に支持されている。そのため、振動デバイス１が外部から熱を受けて容器１４の温度が上昇するとき、容器１４の熱が常に振動子２１よりも常に先にＩＣチップ３１（温度センサー）に伝達される。つまり温度センサーの温度上昇タイミングを振動子２１の温度上昇タイミングよりも確実に速やめることができる。言い換えると、振動子２１の温度上昇タイミングを温度センサーの温度上昇タイミングよりも確実に遅延させることができる。ここで、前述した遅延データベースのデータは、係る遅延時間を元にしたデータである。

【0020】

したがって、振動デバイス１においては、外部からの熱によって仮に振動デバイス１の温度が急激に変化するような場合であっても、ＩＣチップ３１（温度センサー）の検出温度に基づいて振動子２１に固有の周波数温度特性を補償する際、確実にその制御を遅滞なく行うことができる。よって、より確実に使用環境の影響を受けることなく、周波数温度特性を適切にコントロールすることができる。

【0021】

また、上記のように振動デバイス１においては、振動子２１とＩＣチップ３１（温度センサー）とが、平面視において重なるように１４内に配置されている。よって、容器１４の外径寸法を小さくすることができ、振動デバイス１の小型化、すなわち任意の電子装置内に振動デバイス１を設置する際における設置スペースの小面積化が可能となる。

【0022】

ここで、本実施形態においては、容器１４からの熱の伝導経路長が、振動子２１に比べてＩＣチップ３１（温度センサー）が短くなるように構成したが、容器１４からＩＣチップ３１（温度センサー）までの熱の伝導経路長は、容器１４から振動子２１までの熱の伝導経路長と同一であっても構わない。その場合であっても、前述したように、使用環境の影響を受けることなく、周波数温度特性を適切にコントロールすることができる。なお、その場合、振動デバイス１の使用時における温度補償制御では、温度センサーの検出温度と、記憶素子に記憶されている補償データベースのデータに基づいて振動子２１の発振周波数を制御すればよく、前述した遅延データベースは不要となる。

【0023】

（第２実施形態）
次に、図２に従い、本発明の第２実施形態について説明する。図２は、本発明の第２実施形態を示す振動デバイス５１の概略構成を示す模式図であり、同図（ａ）は上板６２を取り外した状態の模式平面図、同図（ｂ）は、（ａ）のＢ－Ｂ線に沿う模式断面図である。振動デバイス５１は、上下方向に開口する容器本体６１と、容器本体６１の上部を閉鎖する上板６２、及び容器本体６１の底部を閉鎖する底板６３とからなる容器６４とを有している。

【0024】

容器６４の内部は、上板６２と底板６３とによって封止されるとともに、減圧された略真空状態か、又は窒素等の不活性ガスが充填された状態であり、係る容器６４内には、後述するように、第１の実施形態で示したものと同様の振動子２１と、温度センサーを含むＩＣチップ３１が実装されている。

【0025】

本実施形態の容器６４においても、第１実施形態と同様、容器本体６１はセラミックス製であり、セラミックス系の絶縁性材料を積層し焼成することにより形成されている。また、上板６２は金属製であり、底板６３はセラミックス製である。本実施形態の容器６４は、第１実施形態で示した容器１４と比べて高さが低く、かつ長手方向の長さが容器１４と比べて長い。また、容器６４の内部には、振動子２１及びＩＣチップ３１を支持する単一の支持部１５が、容器６４内の上下方向の中程よりもやや下側に位置して一体形成されている。この支持部１５の構成は、第１実施形態で示したものと同様である。

【0026】

一方、本実施形態においては、ＩＣチップ３１（温度センサー）が、支持部１５の上面１５ａであって、支持部１５が設けられた容器６４の短辺側の内面６４ａに近接する位置に固定されている。また、振動子２１が、支持部１５の上面１５ａであって、支持部１５が設けられた容器６４の短辺側の内面６４ａから離間する位置に固定されている。

【0027】

そして、本実施形態の振動デバイス５１においても、第１実施形態の振動デバイス１と同様、任意の電子装置に組み込まれて使用される際には、ＩＣチップ３１内の温度センサーの検出温度に応じてＩＣチップ３１の制御回路によって、振動子２１に固有の周波数温度特性が補償されるよう構成されている。なお、振動デバイス１の使用時における温度補償制御の内容も第１実施形態と同様である。

【0028】

以上の構成からなる第２実施形態の振動デバイス５１においても、第１実施形態の振動デバイス１と同様、容器６４内において、振動子２１と温度センサーを含むＩＣチップ３１とが、容器６４内に突設された単一の支持部１５にそれぞれ支持（固定）されている。そのため、振動デバイス１が任意の電子装置に組み込まれた状態で、容器６４が外部から熱を受けた場合、受けた熱が容器６４から単一の支持部１５を介して、振動子２１とＩＣチップ３１（温度センサー）とにそれぞれ伝わる。具体的には、容器６４が受けた熱が、支持部１５における容器６４の内面６４ａとの連結部分のみを介して振動子２１とＩＣチップ３１（温度センサー）とにそれぞれ伝わる。

【0029】

そのため、容器６４が外部から熱を受けた場合には、任意の電子装置内での熱源と容器６４（振動デバイス５１）との位置関係に関係なく、ＩＣチップ３１（温度センサー）の温度が上昇するタイミングが、振動子２１の温度が上昇するタイミングに遅れることがない。よって、本実施形態の振動デバイス５１においても、使用環境の影響を受けることなく、周波数温度特性を適切にコントロールすることができる。

【0030】

特に、本実施形態においては、ＩＣチップ３１（温度センサー）が、支持部１５が設けられた容器１４の内面に近接する位置に固定され、振動子２１が、支持部１５が設けられた容器の内面から離間する位置に固定されている。つまり振動デバイス５１においても、ＩＣチップ３１（温度センサー）が、容器１４からの熱の伝導経路長が振動子２１に比べて短くなる形態で支持部１５に支持されている。そのため、振動デバイス５１が外部から熱を受けて容器６４の温度が上昇するとき、容器６４の熱が、常に振動子２１よりも先にＩＣチップ３１（温度センサー）に伝達される。つまり温度センサーの温度上昇タイミングを振動子２１の温度上昇タイミングよりも確実に速やめることができる。言い換えると、振動子２１の温度上昇タイミングを温度センサーの温度上昇タイミングよりも確実に遅延させることができる。ここでも、前述した遅延データベースのデータは、係る遅延時間を元にしたデータである。

【0031】

したがって、振動デバイス５１においても、外部からの熱によって仮に振動デバイス５１の温度が急激に変化するような場合であっても、ＩＣチップ３１（温度センサー）の検出温度に基づいて振動子２１に固有の周波数温度特性を補償する際、確実にその制御を遅滞なく行うことができる。よって、より確実に使用環境の影響を受けることなく、周波数温度特性を適切にコントロールすることができる。

【0032】

また、振動デバイス５１においては、ＩＣチップ３１（温度センサー）が、支持部１５が設けられた容器６４の内面に近接する位置に固定され、振動子２１が、支持部１５が設けられた容器６４の内面から離間する位置固定されることによって、ＩＣチップ３１（温度センサー）における容器からの熱の伝導経路長が、振動子２１のそれよりも短く構成されている。よって、第１の実施形態の振動デバイス１に比べると、容器６４の高さ寸法を小さくすることができ、振動デバイス５１の薄型化が可能となる。

【0033】

ここで、上述した第１実施形態および第２実施形態に示した振動デバイス１，５１においては、容器１４，６４に収容された振動子２１とＩＣチップ３１（温度センサー）とが単一の支持部１５に支持されることにより、温度変化の過渡期でも使用環境の影響を受けることなく、周波数温度特性を適切にコントロールすることができる。つまり、公知の恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ：Ｏｖｅｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）のように恒温槽やヒーターを付加する必要がない。したがって、本発明によれば、従来の温度補償型水晶発振器に比べて高い周波数安定度を確保することができるとともに、それを低コストで実現することができる。

【0034】

なお、第１実施形態および第２実施形態に示した振動デバイス１，５１の構成は例示的なものに過ぎず、必ずしもＩＣチップ３１（温度センサー）における容器１４，６４からの熱の伝導経路長を振動子２１に比べて短くする必要はない。また、ＩＣチップ３１（温度センサー）における容器１４，６４からの熱の伝導経路長を振動子２１に比べて短くする場合、その具体的な構成は適宜変更することができる。

【0035】

以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、この発明は、これらに限られるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲を含むものである。
以下に、本願の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。

【0036】

［請求項１］
容器内に突設された単一の支持部と、
前記容器内に収容され、前記支持部に支持された振動子と、
前記容器内に収容され、前記支持部に支持された温度センサーと、
を備えたことを特徴とする振動デバイス。
［請求項２］
前記温度センサーは、前記容器からの熱の伝導経路長が振動子に比べ短くなる形態で前記支持部に支持された、ことを特徴とする請求項１記載の振動デバイス。
［請求項３］
前記振動子は、前記容器の上面側に位置し、固定部を介して前記支持部に支持され、
前記温度センサーは、前記容器の下面側に位置し、前記支持部に直接支持された、
ことを特徴とする請求項２記載の振動デバイス。
［請求項４］
前記振動子と前記温度センサーとは、平面視において重なるように前記容器内に配置された、ことを特徴とする請求項３記載の振動デバイス。
［請求項５］
前記温度センサーは、前記容器の内面に近接する位置に固定され、
前記振動子は、前記容器の前記内面から離間する位置に固定された、
ことを特徴とする請求項２記載の振動デバイス。

【符号の説明】

【0037】

１ 振動デバイス
１１ 容器本体
１２ 上板
１３ 底板
１４ 容器
１４ａ 短辺側の内面
１４ｂ 長辺側の内面
１５ 支持部
１５ａ 上面
１５ｂ 下面
１６ 固定部
２１ 振動子
３１ ＩＣチップ
５１ 振動デバイス
６１ 容器本体
６２ 上板
６３ 底板
６４ 容器
６４ａ 短辺側の内面

【図1】

【図2】

【図3】